14.5: 行星进化
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述行星演化过程中的地质活动，尤其是地球行星上的地质活动
- 描述影响陆地行星海拔差异的因素
- 解释金星、地球和火星上大气的差异是如何从太阳系早期历史的相似起点演变而来的
在我们等待更多发现和更好地了解其他行星系统的同时，让我们再次回顾一下尘盘消散后我们自己的太阳系的早期历史。 巨大撞击的时代可能局限于太阳系历史的头1亿年，到大约44亿年前结束。 此后不久，行星冷却并开始呈现其当前面貌。 直到大约40亿年前，它们还在继续获取挥发性物质，其表面被撞击它们的剩余碎片严重撞击。 但是，随着外部影响的减少，所有地球行星以及外行星的卫星都开始走自己的进化道路。 这种演变的性质取决于每个物体的构成、质量和与太阳的距离。
地质活动
我们已经看到，地球行星和冰冷卫星的地质活动水平差异很大。 这种活动的内部来源（而不是从上方猛击）需要能量，要么是行星形成遗留的原始热量，要么是内部放射性元素的衰变所遗留的原始热量。 行星或月球越大，它保留内部热量的可能性就越大，冷却速度也越慢——这就是《其他世界：太阳系简介》中提到的 “烤土豆效应”。 因此，我们更有可能看到更大（固体）世界表面持续存在地质活动的证据（图\(\PageIndex{1}\)）。 木星的卫星艾奥是这条规则的一个有趣的例外；我们看到，木星的潮汐引力导致其内部的引力弯曲，产生了不寻常的热源。 欧罗巴可能也被木星潮水升温。 土星可能对其卫星 “土卫二” 产生类似的影响。
月球是地球世界中最小的月球，直到大约33亿年前其主要火山活动停止之前，它一直处于内部活跃状态。 从那时起，它的地幔已经冷却并变成了固体，如今，即使是内部的地震活动也已降至几乎为零。 月球是一个地质死亡的世界。 尽管我们对水星的了解要少得多，但看来这颗行星也可能在与月球大约相同的时间停止了大部分火山活动。
火星是一个中间案例，它比月球活跃得多。 南半球地壳是在40亿年前形成的，而北半球的火山平原似乎与月球玛丽亚相似。 但是，塔尔西斯凸起形成得稍晚一些，大型塔尔西斯火山的活动显然一直持续到当今时代。
地球和金星是最大、最活跃的地球行星。 我们的星球经历了由地幔对流驱动的全球板块构造。 因此，我们的表面不断被重新加工，地球的大部分表面材料还不到2亿年的历史。 金星的火山活动水平通常相似，但与地球不同，它没有经历过板块构造。 它的大部分表面似乎都没有超过5亿年的历史。 我们确实看到，我们的姊妹星球的表面正在被一种 “斑点构造” 所改变，在这种构造中，来自下方的热物质会起皱并穿过地表，从而形成日冕、煎饼火山和其他类似特征。 更好地了解金星和地球之间的地质差异是行星地质学家的当务之急。
冰月和冥王星的地质演化与陆地行星的地质演化略有不同。 潮汐能一直活跃，自然界必须使用的材料也不一样。 在这些外部世界中，我们看到了低温火山活动的证据，内行星的硅酸盐熔岩被艾奥上的硫化合物补充，取而代之的是冥王星和其他外行星卫星上的水和其他冰。
海拔差异
让我们来看一些行星有何不同之处的具体例子。 陆地行星上的山脉起源于不同的过程。 在月球和水星上，主要山脉是由数十亿年前发生的大型盆地形成撞击所抛出的喷射物。 火星上的大多数大山都是火山，由同一喷口的熔岩反复喷发产生。 地球和金星上有相似（但规模较小）的火山。 但是，地球和金星上最高的山峰是地表压缩和隆起的结果。 在地球上，这种地壳压缩是由一个大陆板块与另一个大陆板块的碰撞造成的。
比较地球、金星和火星上火山的最大高度很有趣（图\(\PageIndex{2}\)）。 在金星和地球上，这些山脉与其周围地区之间的最大海拔差约为10千米。 相比之下，奥林巴斯蒙斯耸立在火星上空20多公里处，距离火星海拔最低区域近30千米。
奥林巴斯蒙斯（图\(\PageIndex{3}\)）比陆地板块高得多的原因之一是，地球上的地壳板块永远不会停止移动足够长的时间来让一座非常大的火山生长。 取而代之的是，移动板块会形成一长排的火山，比如夏威夷群岛。 在火星（也许还有金星）上，地壳相对于底层热点保持静止，因此一座火山可以持续生长数亿年。
第二个区别与三颗行星的重力有关。 金星的表面重力几乎与地球上的重力相同，但在火星上，它只有大约三分之一。 为了使一座山能够生存，它的内部力量必须足够大，足以支撑其重量抵御重力。 火山岩具有已知的强度，我们可以计算出，在地球上，10 千米差不多是极限。 例如，当在夏威夷莫纳罗亚山顶添加新的熔岩时，这座山在自身的重量下会向下倾斜。 同样的高度限制适用于金星，那里的重力与地球的重力相同。但是，在火星上，由于其表面重力较小，可以支撑更大的海拔差，这有助于解释为什么奥林巴斯蒙斯山的高度是金星或地球上最高的山脉的两倍以上。
顺便说一句，确定山峰极限高度的相同计算方法也可以用来确定可能具有不规则形状的最大天体。 如果可以的话，重力会将所有物体拉成最为 “高效” 的形状（即所有外部点与中心的距离相等）。 所有行星和较大的卫星几乎都是球形的，因为它们自身的重力将它们拉入球体。 但是物体越小，其岩石的强度所能支撑的偏离球形的程度就越大。 对于硅酸盐天体，极限直径约为400千米；较大的物体将始终近似于球形，而较小的物体几乎可以具有任何形状（如我们在小行星照片中所见，如图\(\PageIndex{4}\)）。
大气层
行星的大气层是由从行星内部逸出的气体和来自外太阳系的富含挥发物的碎片的撞击共同形成的。 每颗陆地行星最初一定有相似的大气层，但是水星太小太热，无法保留气体。 自从构成月球的物质被挥发性物质耗尽以来，月球可能从未有过大气层。
现在，地球行星上主要的挥发性气体是二氧化碳 (\(\ce{CO2}\))，但最初可能还有含氢气体。 在这种化学还原性更强（氢气占主导地位）的环境中，应该有大量的一氧化碳（\(\ce{CO}\)）以及微量的氨（\(\ce{NH3}\)）和甲烷（\(\ce{CH4}\)）。 但是，来自太阳的紫外线会分裂内部太阳系中还原气体的分子。 大多数轻氢原子逃脱了，留下了我们今天在地球、金星和火星上看到的氧化（氧气占主导地位）的大气层。
水在这三颗行星上的命运各不相同，这取决于它的大小和与太阳的距离。 在其历史早期，火星显然有一个厚厚的大气层和丰富的液态水，但它无法保持这些条件。 产生重大温室效应的\(\ce{CO2}\)必要条件消失了，温度下降了，剩余的水最终冻结了。 在金星上，发生了相反的过程，失控的温室效应导致水的永久流失。 只有地球能够维持微妙的平衡，使液态水能够持续存在于其表面。
随着水的消失，金星和火星最终都形成了大约 96% 的二氧化碳和百分之几的氮气的大气层。 在地球上，首先是水的存在，然后是生命的存在，形成了一种截然不同的大气层。 \(\ce{CO2}\)被移除并沉积在海洋沉积物中。 可以进行光合作用的生命形式的激增最终导致释放的氧气超过了自然化学反应从大气中释放的氧气。 结果，由于其表面的生命，地球发现自己严重缺乏\(\ce{CO2}\)，氮气是最丰富的气体，也是唯一含有游离氧的行星大气层。
在外太阳系中，土卫六是唯一拥有大量大气层的卫星。 该物体必须含有足够的挥发物，例如氨、甲烷和氮，才能形成大气。 因此，今天的土卫六的大气层主要由氮气组成。 与内行星上的温度相比，土卫六的温度太低，二氧化碳或水都无法形成蒸汽形式。 由于这两种常见的挥发物是冷冻固体，氮气最终成为主要的大气成分也许不足为奇。
我们看到，大自然从一组化学成分开始，可以形成适合每个世界条件和历史的各种最终气氛。 我们在地球上的大气层是许多千载难逢的演变和适应的结果。 而且，正如我们所看到的，它可以通过居住在地球上的生命形式的行为来改变。
探索我们行星系统的动机之一是寻找生命，首先是调查潜在的可居住环境。 水星、金星和月球都不适合；外太阳系中的大多数卫星也不适合。 没有固体表面的巨型行星也未能通过可居住性测试。
到目前为止，寻找可居住环境的重点是液态水的存在。 尽管欧罗巴的海洋被厚厚的冰层覆盖，但地球和欧罗巴都有广阔的海洋。 火星表面有着悠久的液态水历史，尽管今天的地表大部分是干燥和寒冷的。 但是，有强有力的证据表明火星上有地下水，即使在今天，水在适当的条件下也会在地表短暂流动。 土卫二可能是最容易获得的液态水，这些液态水是通过我们的卡西尼号航天器观测到的间歇泉喷入太空的。 从许多方面来说，泰坦是我们探索过的最有趣的世界。 这里对于液态水来说太冷了，但是由于其厚厚的大气层和碳氢化合物湖泊，它可能是寻找 “我们所不知道的生命” 的最佳场所。
我们现在结束了对行星系统的研究。 尽管我们在过去几十年的航天器探索中学到了很多关于其他行星的知识，但仍有许多未知数。 近年来在土卫六和土卫二上发现的地质活动出乎意料，《新视野》揭示的冥王星的复杂表面也是如此。 对系外行星系统的研究提供了一个新的视角，它告诉我们，行星系统的多样性比科学家几十年前想象的要多得多。 探索太阳系是人类最伟大的冒险之一，而且在许多方面，它才刚刚开始。
关键概念和摘要
在共同的起点之后，每颗行星都沿着自己的路径进化。 通过比较陆地行星（地球、金星、火星、水星和月球），可以看出不同的可能结果。 所有这些都是岩石、差异化的物体。 地质活动水平与质量成正比：地球和金星最大，火星最低，月球和水星不存在。 但是，来自附近另一个世界的潮汐也可以产生热量来推动地质活动，如艾欧、欧罗巴和土卫二所示。 冥王星也很活跃，令行星科学家感到惊讶。 在固体世界的表面，山脉可能是由撞击、火山活动或隆起造成的。 无论其起源如何，地表重力较小的较小行星都可以支撑更高的山脉。 地球行星的大气层可能已经从彗星撞击中获得了挥发性物质。 月球和水星失去了大气层；火星上的大多数挥发物由于与太阳的距离更远且大气层更薄而被冻结；金星保留了下来，\(\ce{CO2}\)但在产生大规模温室效应\(\ce{H2O}\)时消失了。 只有地球表面还有液态水，因此可以维持生命。